Frequenzumrichter mit einem aus Oberteil und Unterteil bestehenden Gehäuse

Abstract

 Bei einem solchen Frequenzumrichter, der für die Speisung eines Elektromotors bestimmt ist, sind im Gehäuse ein Leistungsmodul und weitere elektrische oder elektronische Bauteile angeordnet, die abzuführende Verlustwärme erzeugen, wozu das Gehäuseoberteil (2) mit Kühlflächen versehen ist. Zwecks Trennung dieser Kühlflächen ist das Gehäuseoberteil (2) zweigeteilt und besteht aus einem ersten Kühlkörper (3), der auf eine hohe Aufnahmetemperatur sowie eine hohe Wärmetauschleistung ausgelegt ist, und aus einem zweiten Kühlkörper (4), der relativ zum ersten Kühlkörper (3) auf eine geringere Aufnahmetemperatur sowie eine geringere Wärmetauschleistung ausgelegt ist. Das Leistungsmodul (5) ist in einem abgeteilten Raum (6) im Gehäuseoberteil benachbart dem ersten Kühlkörper (3) angeordnet und mit diesem thermisch leitend verbunden. Dieser erste Kühlkörper (3) ist von dem zweiten Kühlkörper (4) thermisch entkoppelt, und es grenzt der zweite Kühlkörper (4) an den übrigen Gehäuseinnenraum (7) an, in welchem die weiteren Bauteile untergebracht sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Frequenzumrichter der im Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 näher bezeichneten Art.

[0002] Solche Frequenzumrichter dienen der Drehzahlsteuerung von Elektromotoren, bei denen es sich um Drehfeldmaschinen, insbesondere um Asynchronmaschinen, handelt. In zunehmenden Maße werden die Frequenzumrichter unmittelbar an der Außenseite des Motorgehäuses angebaut, um eine besonders kompakte Bauform zu erzielen. Dadurch verringert sich der Verdrahtungsaufwand zwischen dem Umrichter und den Motorwicklungen aufgrund kurzer Leitungen, zudem entstehen geringere Störemissionen.

[0003] Der zu einem Elektromotor passende Frequenzumrichter benötigt ein Leistungsmodul, welches an die Motorleistung angepaßt ist. Ein solches Leistungsmodul erzeugt in Relation zu den übrigen Bauteilen des Frequenzumrichters eine hohe Verlustwärme, die abgeführt werden muß. Dazu sind die Kühlflächen am Gehäuseoberteil des Frequenzumrichters vorgesehen, von denen die Wärme in der Regel durch erzwungene Konvektion abgeführt wird. Dafür kann der vorhandene Motorlüfter oder ein Fremdlüfter vorgesehen werden.

[0004] Bei den Frequenzumrichtern bekannter Bauart findet über die Kühlflächen des Gehäuseoberteils ein Wärmeaustausch statt, wodurch die Wärmeabfuhr von den übrigen Bauteilen gegenüber der Wärmeabfuhr vom Leistungsmodul beeinträchtigt wird.

[0005] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzumrichter der eingangs genannten Art zu schaffen, an dessen Gehäuse eine Trennung der Kühlflächen, die zum einen dem Leistungsmodul und die zum anderen den weiteren elektrischen oder elektronischen Bauteilen zugeordnet sind, vorgesehen ist.

[0006] Diese Aufgabe wird bei einem Frequenzumrichter der gattungsgemäßen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0007] Für die Erfindung ist wesentlich, daß die Ableitung der gegenüber den übrigen elektrischen oder elektronischen Bauteilen um ein Mehrfaches oder Vielfaches höhere Verlustwärme des Leistungsmoduls über den ersten Kühlkörper erfolgt, wodurch der zweite Kühlkörper von der Abwärme des Leistungsmoduls nicht oder nur in einem vernachlässigbaren Umfang beaufschlagt wird und für die Kühlung des Gehäuseinnenraums, von dem der Raum für das Leistungsmodul abgeteilt ist, noch ein ausreichendes Temperaturgefälle zu den dortigen Bauteilen aufweist. Durch die Aufteilung der Kühlflächen auf den ersten Kühlkörper und den zweiten Kühlkörper kann auf eine erzwungene Konvektion zur Wärmeableitung, wie durch einen Motorlüfter oder einen Fremdlüfter verzichtet werden.

[0008] Vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0009] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel noch näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1

eine gesprengte perspektivische Darstellung eines Frequenzumrichters gemäß der Erfindung mit dargestelltem Leistungsmodul unter Weglassung der übrigen für den Frequenzumrichter erforderlichen elektrischen und elektronischen Bauteile und

Fig. 2

einen Schnitt durch den Frequenzumrichter gemäß Figur 1 in zusammengefügter Anordnung.

[0010] Im einzelnen erkennt man in Figur 1 ein aus drei Teilen bestehendes Gehäuse zur Aufnahme der elektrischen Teile eines Frequenzumrichters. Dieses Gehäuse besteht aus einem Gehäuseunterteil 1 und einem Gehäuseoberteil 2, wobei das Gehäuseoberteil 2 in einen ersten Kühlkörper 3 und in einen zweiten Kühlkörper 4 unterteilt ist. In zusammengefügter Anordnung umschließt das Gehäuseoberteil 2 in einem abgeteilten Raum 6 ein Leistungsmodul 5, welches im Vergleich mit den weiter für den Frequenzumrichter erforderlichen elektrischen und elektronischen Bauteilen, die im einzelnen in der Zeichnung nicht dargestellt sind, eine etwa dreimal so große, abzuführende Abwärme erzeugt. Diese übrigen elektrischen und elektronischen Bauteile sind in einem Gehäuseinnenraum 7 untergebracht, der thermisch von dem abgeteilten Raum 6, in welchem sich das Leistungsmodul 5 befindet, entkoppelt ist. Der Gehäuseinnenraum 7 wird in seinem unteren Bereich von dem Gehäuseunterteil 1 und in seinem oberen Bereich von dem zweiten Kühlkörper 4 umschlossen. So sorgt der zweite Kühlkörper 4 für die Abfuhr der Abwärme aus dem Gehäuseinnenraum 7, während der erste Kühlkörper 3 für die Kühlung des Leistungsmoduls 5 vorgesehen ist.

[0011] Der erste Kühlkörper 3 besteht aus einer Deckplatte 8, die an ihrer Außenseite eine Vielzahl von gleichmäßig verteilten Kühlfahnen 9 hat. Die Kühlfahnen 9 sind in Form von senkrecht von der Deckplatte 8 abstehenden Stacheln ausgebildet, die in Abstand voneinander angeordnet sind.

[0012] Der zweite Kühlkörper 4 des Gehäuseoberteils 2 ist kranzförmig ausgebildet, er hat entsprechend der quadratischen oder rechteckigen Grundform des ersten Kühlkörpers 3 ebenfalls eine quadratische oder rechteckige Grundrißgestalt. Entlang der Quadrat- oder Rechteckseiten hat der zweite Kühlkörper 4 durchgehende oder stellenweise verrippte Wände 10, die sich in voneinander beabstandeten Kühlfahnen 11 fortsetzen, die ebenfalls eine Stachelform aufweisen. Die Wände 10 einschließlich der Kühlfahnen 11 des zweiten Kühlkörpers 4 umschließen einen Aufnahmeraum 13 für den ersten Kühlkörper 3, der als Einsatz ausgebildet ist und in diesen Aufnahmeraum 13 des zweiten Kühlkörpers 4 eingefügt werden kann. An den Innenseiten der Wände 10 des zweiten Kühlkörpers 4 ist umlaufend ein Auflagerrahmen 12 angeformt, auf den die Deckplatte 8 des ersten Kühlkörpers 3 randlich aufgesetzt werden kann. Zuvor wird auf den Auflagerrahmen 12 innen an den Wänden 10 des zweiten Kühlkörpers 4 eine thermisch isolierende Rahmendichtung 14 aufgelegt, womit der in den Aufnahmeraum 13 eingesetzte erste Kühlkörper 3 gegenüber dem zweiten Kühlkörper 4 thermisch entkoppelt ist. Die Befestigung des ersten Kühlkörpers 3 am inneren Auflagerrahmen 12 des zweiten Kühlkörpers 4 erfolgt über Schrauben 15, wodurch die beiden Kühlkörper 3 und 4 zu einer baulichen Einheit, nämlich zum Gehäuseoberteil 2 zusammengefügt werden können.

[0013] Das Leistungsmodul 5 ist auf einer Platine 16 angeordnet, die für den elektrischen Anschluß des Leistungsmoduls 5 Kontakte hat, auf die das Leistungsmodul mit entsprechenden Gegenkontakten aufgelegt wird, wonach das Leistungsmodul 5 in seiner Lage auf der Platine 16 vorfixiert ist. Dazu sind an der Kontaktseite des Leistungsmoduls 5 und an der gegenüberliegenden Stelle der Platine 16 in der Zeichnung nicht dargestellte Formschlußelemente vorgesehen. Die Platine 16 wiederum ist mit der vom Leistungsmodul 5 abgewandten Seite auf einer Andruckplatte 17 angeordnet und diese Andruckplatte 17 kann durch die Platine 16 und durch das Leistungsmodul 5 hindurch mit dem ersten Kühlkörper 3 verschraubt werden, wozu eine Schraube 21 dient. Mittels dieser Schraube 21 kann über die Andruckplatte 17 das Leistungsmodul 5 fest an die Innenseite der Deckplatte (8) des ersten Kühlkörpers 3 angepreßt werden, wonach die Grundplatte 17 bzw. die Oberseite der Platine 16 zur Deckplatte 8 des ersten Kühlkörpers 3 einen Abstand hat, welcher durch die Höhe des Leistungsmoduls 5 bedingt ist. Durch diesen Abstand zwischen der Platine 16 und der Deckplatte 8 ist der abgeteilte Raum 6 gebildet, in dem sich das Leistungsmodul 5 befindet, welches somit seine Abwärme im Betrieb nahezu ausschließlich an den ersten Kühlkörper 3 abgibt.

[0014] Durch das Verschrauben der Andruckplatte 17 einschließlich der Platine 16 und des Leistungsmoduls 5 mit dem in den zweiten Kühlkörper 4 eingesetzten Kühlkörper 3 ergibt sich eine vormontierte Einheit, die auf das Gehäuseunterteil 1 aufgesetzt werden kann. Das Gehäuseunterteil 1 besteht aus einer Wanne, die durch randlich am Wannenboden 22 aufrechte, umlaufend geschlossene Wandungen 20 gebildet ist. Auf die Oberkanten der Wannenwandungen 20 läßt sich der zweite Kühlkörper 4 mit seinen Wänden 10 in fluchtender Richtung aufsetzen, so daß die Wände 10 des zweiten Kühlkörpers 4 die Wannenwandungen 20 fortsetzen und die Wände 10 sowie die Wannenwandungen 20 den Gehäuseinnenraum 4 umschließen. Die Verbindung des vormontierten Gehäuseoberteils 2 mit dem Gehäuseunterteil 1 erfolgt über Schrauben 23, die im Eckbereich des zweiten Kühlkörpers 4 vorgesehen sind.

[0015] Im unteren Bereich des Gehäuseinnenraums 7 innerhalb des Gehäuseunterteils 1 erfolgt die elektrische Verbindung des Frequenzumrichters zum einen mit den Motorwicklungen und zum anderen mit dem elektrischen Netz sowie mit einer optional im Gehäuseinnenraum 7 eingebauten Input-Output-Signalelektronik, die aus einem Klemmmodul und/oder verschiedenen Feld-Bus-Modulen bestehen kann. Dafür sind in den Wandungen 20 des Gehäuseunterteils Leitungsdurchführungsöffnungen 24 vorbereitet, die aufgebrochen werden können. Wie erwähnt, sind in dem Gehäuseinnenraum 7 die weiteren elektrischen und elektronischen Bauteile des Frequenzumrichters angeordnet. Ferner können im Gehäuseinnenraum 7 weitere Bedienelemente, wie Potentiometer, Netzschleifklemmen und Bremsmodule angeordnet sein, wozu ergänzende Bauteile auch an der zum Gehäuseinneren 7 hinliegenden Seite der Platine 16 vorgesehen sein können.

[0016] Unter den weiteren elektrischen oder elektronischen Bauteilen können sich auch solche befinden, die in besonderer Weise gekühlt werden müssen. Speist der Frequenzumrichter einen Elektromotor, der in Abständen auch generatorisch betrieben wird, dann muß die hierbei erzeugte elektrische Energie abgeführt werden. Dies geschieht durch Umwandlung in Wärme in einem Bremswiderstand 25, der in bevorzugter Ausführung mit von dem ersten Kühlkörper 3 gekühlt wird. Wie insbesondere Fig. 2 deutlich macht, ist in der montierten Anordnung der Bremswiderstand 25 in eine in die Grundplatte 8 des ersten Kühlkörpers 3 eingeformte Mulde eingebettet. Für einen guten thermischen Kontakt sorgt auch hier eine gegen den ersten Kühlkörper 3 schraubbare Anpreßplatte 26. So ist in gleicher Weise wie das Leistungsmodul 5 der Bremswiderstand 25 thermisch mit dem ersten Kühlkörper 3 verbunden, der für eine hohe Kühlleistung bzw. eine entsprechend hohe Wärmeabfuhr ausgelegt ist, was dem hohen Wärmeanfall am Bremswiderstand 25 entspricht, es versteht sich, daß auch der Bremswiderstand 25 von dem Gehäuseinnenraum 7 thermisch entkoppelt ist.

[0017] Ein besonderer Vorzug ist, daß das komplett vormontierte Gehäuseoberteil 2 mit den daran angebrachten Frequenzumrichterbauteilen, wie dem Bremswiderstand 25 und der Platine 16 mit dem Leistungsmodul 5 beim Aufsetzen auf das Gehäuseunterteil 1 sogleich elektrisch angeschlossen ist. Dazu dienen zum einen Steckverbinder 18, die sich an der zum Gehäuseunterteil 1 hinliegenden Seite der Platine in einem Bereich befinden, der nicht von der Grundplatte 17 des ersten Kühlkörpers 3 überdeckt wird. Zum anderen sind im Gehäuseinnenraum 7 des Gehäuseunterteils 1 entsprechende Gegensteckverbinder 19 vorgesehen, die beim Aufsetzen des Gehäuseoberteils 2 auf das Gehäuseunterteil 1 mit den Steckverbindern 18 an der Platine 16 in Eingriff kommen.

[0018] Die optional im Innenraum 7 eingebaute Input-Output-Elektronik wird in analoger Weise angeschlossen. So sind auch hierfür auf der Platine 16 Steckverbinder vorgesehen, die mit Gegensteckverbindern an dem optionalen Bauteil in Eingriff gebracht werden können.

[0019] Am Gehäuseoberteil 2 kann ein weiterer Steckverbinder 27 angeordnet sein, der für den externen Anschluß einer optionalen Bedieneinheit dient, und der, falls er nicht benötigt wird, mit einer Kappe verschlossen werden kann.

Ansprüche

1. Frequenzumrichter für einen Elektromotor mit einem aus einem Oberteil und einem Unterteil bestehenden Gehäuse, in dem ein Leistungsmodul und weitere elektrische oder elektronische Bauteile angeordnet sind, die abzuführende Verlustwärme erzeugen, wozu das Gehäuseoberteil mit Kühlflächen versehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuseoberteil (2) zweigeteilt ist und aus einem ersten Kühlkörper (3), der auf eine hohe Aufnahmetemperatur sowie eine hohe Wärmetauschleistung ausgelegt ist, und aus einem zweiten Kühlkörper (4) besteht, der relativ zum ersten Kühlkörper (3) auf eine geringere Aufnahmetemperatur sowie eine geringere Wärmetauschleistung ausgelegt ist, wobei das Leistungsmodul (5) in einem abgeteilten Raum (6) im Gehäuseoberteil benachbart dem ersten Kühlkörper (3) angeordnet, mit diesem thermisch leitend verbunden und dieser erste Kühlkörper (3) von dem zweiten Kühlkörper (4) thermisch entkoppelt ist und ferner der zweite Kühlkörper (4) an den übrigen Gehäuseinnenraum (7) angrenzt, in welchem die weiteren Bauteile untergebracht sind.

2. Frequenzumrichter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Leistungsmodul (5) am ersten Kühlkörper (3) fest anliegend angeordnet ist.

3. Frequenzumrichter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß am ersten Kühlkörper (3) ein Bremswiderstand (25) für den generatorischen Betrieb des Elektromotors in gleicher Weise wie das Leistungsmodul (5) angeordnet ist.

4. Frequenzumrichter nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Kühlkörper (3) eine außenseitig mit Kühlfahnen (9) versehene Deckplatte (8) aufweist, gegen die das Leistungsmodul (5) sowie ggf. der Bremswiderstand (25) verspannt sind.

5. Frequenzumrichter nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Kühlkörper (3) als Einsatz in den zweiten Kühlkörper (4) eingefügt ist, der einen entsprechenden Aufnahmeraum (13) umschließt, um den herum innenseitig am zweiten Kühlkörper (4) ein Auflagerrahmen (12) vorsteht, auf den der erste Kühlkörper (3) mit dem Rand seiner Deckplatte (8) unter Zwischenfügung einer thermisch isolierenden Rahmendichtung (14) aufgesetzt ist.

6. Frequenzumrichter nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß innenseitig mit Abstand gegen die Deckplatte (8) des ersten Kühlkörpers (3)zumindest eine Andruckplatte (17, 26) geschraubt ist, zwischen der und der Deckplatte (8) das Leistungsmodul (5) und/oder der Bremswiderstand (25) verspannt sind.

7. Frequenzumrichter nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf der zur Deckplatte (8) hinliegenden Seite der Andruckplatte (17) für das Leistungsmodul (5) eine Platine (16) für den elektrischen Anschluß des Leistungsmoduls (5) angeordnet ist, wobei die Platine (16) und das Leistungsmodul (5) mit entsprechenden Kontakten und Gegenkontakten ausgestattet sind.

8. Frequenzumrichter nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß an die Platine (16) in einem zumindest einem über die Andruckplatte (17) für das Leistungsmodul (5) überstehenden Bereich an ihrer von der Deckplatte (8) abgewandten Seite Steckverbinder (18) fest angesetzt sind, die in Eingriff mit Gegensteckverbindern (19) im Gehäuseunterteil (1) stehen.

9. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Gehäuseunterteil (1) aus einer Wanne mit umlaufend geschlossenen Wandungen (20) besteht, auf die der zweite Kühlkörper (4) aufgesetzt ist, wobei der zweite Kühlkörper (4) über den umgebenen, abgeteilten Raum (6) für das Leistungsmodul (5) vorstehende Wände (10) hat, die in Fortsetzung der Wandungen (20) der Wanne (1) den übrigen Gehäuseinnenraum (7) umschließen.

10. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 1 - 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Gehäuseinnenraum (7) die weiteren elektrischen und/oder elektronischen Bauteile angeordnet sind.

11. Frequenzumrichter nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die im Gehäuseinnenraum (7) angeordneten weiteren Bauteile mit Steckverbindern auf der Platine (16) und mit Gegensteckverbindern an diesen Bauteilen elektrisch angeschlossen sind, wobei diese Steckverbinder und Gegensteckverbinder analog den Steckverbindern (18) und den Gegensteckverbindern (19) entsprechen.

12. Frequenzumrichter nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet,
daß die weiteren Bauteile zum Teil gegen den zweiten Kühlkörper (4) wärmeleitend verspannt sind.

13. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 5 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zweite Kühlkörper (4) den ersten Kühlkörper (3) kranzförmig umgibt und eigene Kühlfahnen (11) in gleicher Ausrichtung mit den Kühlfahnen (9) der Deckplatte (8) des ersten Kühlkörpers (3) hat.

Zeichnung